[发明专利]一种使用含软磁材料磁场的切伦科夫振荡器

说明书

本发明涉及一种使用含软磁材料磁场的切伦科夫振荡器，本发明包括振荡器腔体和振荡器腔体外侧环绕设置的含软磁材料磁场，含软磁材料磁场包括从内到外依次环绕设置的磁场支架、软磁材料和螺线管磁场。本发明在磁场设计中采用软磁材料和螺线管磁场结合的磁场模型并优选设计，改变了磁力线位形，进而改变了电子束运行轨迹，该种设计增加了阴阳极间距的同时，保持了电子束和慢波结构间的紧密束波作用；同时本发明克服了通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾长脉冲运行与高功率转换效率的问题，且该结构简单、易于加工。

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种使用含软磁材料磁场增大阴阳极间距的切伦科夫振荡器，属于高功率微波技术领域。

背景技术

高功率微波通常是指峰值功率大于100MW，频率在1GHz-300GHz的电磁波，高功率微波技术是伴随着脉冲功率技术与等离子体物理学及电真空技术的发展而新兴的一个研究领域。在等离子体加热、高功率雷达、粒子射频加速以及未来空间能源的利用方面有着光明的应用前景。

高功率微波源是高功率微波系统的核心器件，其运行是基于电子束的相干辐射。电子束的相干辐射机理分为切伦科夫辐射、渡越辐射、轫致辐射三类。基于切伦科夫辐射机理的高功率微波源主要为相对论切伦科夫振荡器和相对论切伦科夫放大器。基于渡越辐射机理的高功率微波源主要为相对论速调管振荡器和相对论速调管放大器。基于轫致辐射机理的高功率微波源主要为自由电子激光、虚阴极等。

相对论切伦科夫振荡器是目前最有潜力的高功率微波源器件之一。它利用相对论电子束与慢波结构中的电磁波模式(结构波)相互作用，产生自身振荡和放大，形成相干微波辐射，具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点。

如果我们仅关注器件中电子束的行为：强流电子束(Intense Electric Beam)在阴阳极强电场作用下，从阴极等离子表面爆炸发射出来后，被强电场阴阳极之间的牵引作用和强磁场的约束作用共同作用下，从阴极穿过无箔二极管；电子束在慢波结构等处和结构波进行相互作用后，失能的电子束沿着磁力线轨迹击打至器件收集极部位被带正电的收集极导体收集。

一般来说，产生爆炸发射电子束的阴极等离子体会在器件运行过程中随时间发生膨胀。从阴极膨胀至阳极导致“二极管闭合”，“二极管闭合”后由于等离子体可看作是一种导电流体，电流不再以强流电子束为载体阳极传输到阴极(电子束带负电，电流方向与电子束运动方向相反)，而是直接通过等离子体从阳极流至阴极。即此时器件阴极与阳极外导体之间的电势差为0，令阴极等离子体不再爆炸发射产生受约束的电子束；并且由于阴阳极电势差为0，不再有电场对运动在器件腔内的电子束起牵引作用。导致器件运行发生崩溃，脉冲结束。

增加阴阳极(anode-cathode)间距是增大阴极等离子体闭合时间，增长器件运行时间的一种方法，增加阴阳极间距可以增加阴阳极间轴向距离，也可以增加阴阳极间径向距离，也可以两种方法同时使用。增加阴阳极间轴向距离会导致器件轴向尺寸增大，腔内反射条件改变的问题。增加阴阳极间径向距离可能会导致空间电荷限制流的减小；还有可能导致沿着磁力线轨迹运行的电子束与慢波结构间径向距离增大，束波作用不充分的问题。基于上述论述，兼顾器件的长微波脉冲和高效率仍然较有挑战性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种使用含软磁材料磁场来增大阴阳极间距的切伦科夫振荡器。本发明在磁场设计中采用软磁材料和螺线管磁场结合的磁场模型并优选设计，改变了磁力线位形，进而改变了电子束运行轨迹，该种设计增加了阴阳极间距的同时，保持了电子束和慢波结构间的紧密束波作用；同时本发明克服了通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾长脉冲运行与高功率转换效率的问题。且该结构简单、易于加工。

本发明的技术解决方案是：本发明为一种使用含软磁材料磁场的切伦科夫振荡器，其特殊之处在于：所述使用含软磁材料磁场的切伦科夫振荡器包括振荡器腔体和振荡器腔体外侧环绕设置的含软磁材料磁场，含软磁材料磁场包括从内到外依次环绕设置的磁场支架、软磁材料和螺线管磁场。